CN108920821A - 一种炼钢连铸侵入式流水口及其数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炼钢连铸侵入式流水口，包括水口本体，水口本体为圆筒形，水口本体内部设有圆柱形内腔，圆柱形内腔的开口端为水口入口，圆柱形内腔的封闭端为水口底部，在水口底部的侧壁上设有水口出口，水口出口的在水口本体侧壁上的高度与水口出口的在水口本体侧壁上的宽度之比小于1。还公开了该侵入式流水口的数值模拟方法，首先用仿真平台数值模拟软件ANSYS建立基于原型的浸入式流水口及结晶器的模型并进行流场的数值模拟；然后在原型数值模拟的基础上改变浸入式流水口的几何设计，再对改进后的浸入式流水口进行数值模拟；最后分析水口出口的钢液回流区、结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果，为流水口的设计开发提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种炼钢连铸侵入式流水口及其数值模拟方法。
背景技术
连续铸钢是将高温钢液连续地浇铸到一个或多个强制水冷的金属型腔(结晶器)内；凝固成形后，再经二次冷却，形成一定形状(规格)铸坯的工艺方法；连铸浸入式水口则是控制连续铸钢过程及状态的关键设备。
公司的板坯坯连铸机，主要用于汽车、家电等板材的生产，多为低碳铝镇静钢。低碳铝镇静钢在浇铸过程中易发生因Al2O3在浸入式水口内沉积从而引发水口蓄流的问题；目前业内解决这一问题较常采用的方法：一是保护浇铸，即浸入式水口用惰性气体密封保护，减少浇铸过程中钢液中Al的二次氧化从而减少Al2O3含量，以此改善或防止水口蓄流；这种方法一定程度增加了工艺控制难度和设备维护成本。二是采用塞棒或者水口吹氩的方法，通过氩气的冲击来减少Al2O3在浸入式水口内壁面的沉积，以此改善或防止水口蓄流；该方法增加了氩气消耗成本，还存在因为控制不当引发铸坯质量问题的风险。
因此，针对板坯连铸过程中出现的浸入式流水口蓄流问题，很有必要开拓思路，寻找一种新的解决方法。但是，传统的流水口产品设计开发都是通过大量的试验分析和数据比对来进行，成本高，效率低，开发周期较长，持续改善的难度较大。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种可以改善或防止低碳铝镇静类钢种浇铸过程中出现水口蓄流问题的炼钢连铸侵入式流水口，本发明还提供了一种设计该炼钢连铸侵入式流水口时用到的数值模拟方法，用于解决传统技术存在的流水口设计开发成本高，效率低，开发周期较长，持续改善难度较大的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种炼钢连铸侵入式流水口，包括水口本体，所述水口本体为圆筒形，所述水口本体内部设有圆柱形内腔，所述圆柱形内腔的开口端为水口入口，所述圆柱形内腔的封闭端为水口底部，在所述水口底部的侧壁上设有水口出口，所述水口出口在所述水口本体侧壁上的高度与所述水口出口在所述水口本体侧壁上的宽度之比小于1。
进一步的，所述水口出口为两个长方形侧开孔，所述水口出口位于水口本体壁面下部区域，所述水口出口贯通所述水口本体壁面，所述水口出口之间的夹角为180°。
进一步的，所述水口入口与中间包连接，所述水口出口与结晶器连接，连铸浇铸时，钢流从中间包经所述水口入口流入，通过所述水口本体内部圆柱形内腔，从两个水口出口流出进入结晶器。
本发明还涉及一种炼钢连铸侵入式流水口的数值模拟方法：首先用仿真平台数值模拟软件ANSYS建立基于原型的炼钢连铸浸入式流水口及连铸结晶器的模型并进行流场的数值模拟；然后，在原型数值模拟的基础上改变浸入式流水口的几何设计，对改进后的浸入式流水口再进行数值模拟；最后，分析水口出口的钢液回流区、结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果，为浸入式流水口的设计开发提供数据支撑。
进一步的，所述侵入式流水口仿真平台数值模拟方法包括如下步骤：
步骤1.几何建模：建立浸入式水口的三维实体模型及结晶器的三维实体模型；
步骤2.网格划分优化：对步骤1建立的几何模型进行结构化网格划分，并对划分的网格进行优化；
步骤3.设定初始边界条件：以水口入口钢液流量、结晶器下口拉速、结晶器上口自由液面和结晶器壁面无滑移作为初始边界条件；
步骤4.设置求解方法：动量守恒方程及湍流方程采用系统默认的一阶迎风格式；
步骤5.求解计算：根据设定的收敛法则进行迭代计算；
步骤6.后处理：读取水口出口的钢液回流区流场，结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果。
进一步的，所述步骤1的具体操作为：应用ANSYS-Workbench的DesignModeler模块建立浸入式水口及结晶器的三维实体模型，然后对模型进行简化处理，冻结并隐藏其实体部分，只保留钢液充填的区域；所述步骤2应用ANSYS-Workbench的ICEM模块对步骤1简化后的几何模型进行结构化网格划分。
进一步的，所述步骤3在设定初始边界条件时：应用ANSYS-CFX的预处理模块，建立数学模型。
进一步的，所述步骤4设置求解方法时，整个计算域的流体对流项格式采用HighResolution，即在计算过程中上游节点数据插值到下游节点时，一直进行基于梯度的最大限度修正，这样可以最大限度保证计算值与实际物理值的一致性。
进一步的，所述步骤5的具体操作为：应用ANSYS-CFX的Solver模块进行求解计算，时间步采用Auto Timescale，计算域长度尺度估算采用Conservative，时间步因子选择系统值默认值1；收敛标准设定为RMS值小于1e10-5，收敛目标设定为全局非平衡量守恒目标1％；迭代次数在3000到5000次。
进一步的，所述步骤6的具体操作为：应用ANSYS-CFX的Post模块进行计算结果的后处理，通过后处理得到所设计的侵入式流水口在设定工况条件下的流场状态；获得水口侧开孔的钢液回流区流场，结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果为侵入式流水口的设计开发提供数据依据。
采用本发明技术方案的优点为：
1.本发明提出的炼钢连铸侵入式流水口，可较大幅减小厚板坯浇铸低碳铝镇静类钢种发生水口蓄流的风险，一方面可以提高连浇次数，提高生产效率；另一方面可以提高连铸过程稳定性，提高铸坯质量，减少因为夹杂物沉积后被冲刷进入铸坯形成大型夹杂缺陷的风险。
2.本发明在制造上述炼钢连铸侵入式流水口时还用到了数值模拟方法，在实际工作中产品的设计不是经过一次设计就可以完成的，大都需要经过多次的优化和改线，所以产品设计是一个持续改善的过程；但是传统设计的改善通过大量样品验证试验获取产品设计的参考数据，成本高，控制困难，因而持续改善难度大；本发明提出了一种炼钢连铸侵入式流水口的数值模拟方法，基于开发出的数值模拟平台，只需要对产品参数按需要进行改动并进行模拟计算即可得到可供参考的设计数据，使产品设计的持续改善非常方便。
3.本发明基于仿真软件平台ANSYS，应用数值模拟的方法，通过对设计的各种高宽比水口及其应用于工况条件下的流场特性进行仿真计算，确定了合适的流场边界参数及范围，开发出应用于侵入式流水口设计的仿真平台，改变了传统的流水口产品设计需通过大量的试验分析和数据比对来进行的方式，提升了设计开发效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明炼钢连铸侵入式流水口的结构示意图。
上述图中的标记分别为：1、水口本体；11、水口本体壁面；2、水口入口；3、水口底部；4、水口出口。
具体实施方式
在本发明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种炼钢连铸侵入式流水口，包括水口本体1，水口本体1为圆筒形，水口本体1内部设有圆柱形内腔，圆柱形内腔的开口端为水口入口2，圆柱形内腔的封闭端为水口底部3，在水口底部3的侧壁上设有水口出口4，水口出口4为两个长方形侧开孔，水口出口4的在水口本体1侧壁上的高度与水口出口4的在水口本体1侧壁上的宽度之比小于1。水口出口4位于水口本体壁面11下部区域，水口出口4贯通水口本体壁面11，水口出口4之间的夹角为180°。
上述水口入口2与中间包连接，水口出口4与结晶器连接，连铸浇铸时，钢流从中间包经水口入口2流入，通过水口本体1内部圆柱形内腔，从两个水口出口4流出进入结晶器。水口本体水口壁面和水口底部均为耐火材料。
本发明提出的炼钢连铸侵入式流水口，可较大幅减小厚板坯浇铸低碳铝镇静类钢种发生水口蓄流的风险，一方面可以提高连浇次数，提高生产效率；另一方面可以提高连铸过程稳定性，提高铸坯质量，减少因为夹杂物沉积后被冲刷进入铸坯形成大型夹杂缺陷的风险。
在制造上述炼钢连铸侵入式流水口时还用到了数值模拟方法，在实际工作中产品的设计不是经过一次设计就可以完成的，大都需要经过多次的优化和改线，所以产品设计是一个持续改善的过程；但是传统设计的改善通过大量样品验证试验获取产品设计的参考数据，成本高，控制困难，因而持续改善难度大；本发明提出了一种炼钢连铸侵入式流水口的数值模拟方法，基于开发出的数值模拟平台，只需要对产品参数按需要进行改动并进行模拟计算即可得到可供参考的设计数据，使产品设计的持续改善非常方便。
本发明炼钢连铸侵入式流水口的数值模拟方法为：首先用仿真平台数值模拟软件ANSYS建立基于原型的炼钢连铸浸入式流水口及连铸结晶器的模型并进行流场的数值模拟；然后，在原型数值模拟的基础上改变浸入式流水口的几何设计，对改进后的浸入式流水口再进行数值模拟；最后，分析水口出口的钢液回流区、结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果，为浸入式流水口的设计开发提供数据支撑。
具体包括如下步骤：
步骤1.几何建模：应用ANSYS-Workbench的DesignModeler模块建立浸入式水口的三维实体模型及结晶器的三维实体模型，然后对模型进行简化处理，冻结并隐藏其实体部分，只保留钢液充填的区域。
步骤2.网格划分优化：应用ANSYS-Workbench的ICEM模块对步骤1简化后的几何模型进行结构化网格划分，并对划分的网格进行优化。
步骤3.设定初始边界条件：应用ANSYS-CFX的预处理模块，建立数学模型，以水口入口钢液流量、结晶器下口拉速、结晶器上口自由液面和结晶器壁面无滑移作为初始边界条件。
步骤4.设置求解方法：整个计算域的流体对流项格式采用High Resolution，即在计算过程中上游节点数据插值到下游节点时，一直进行基于梯度的最大限度修正，这样可以最大限度保证计算值与实际物理值的一致性；动量守恒方程及湍流方程采用系统默认的一阶迎风格式，这个设置可以满足一般工程应用需求，同时可以提升计算效率。
步骤5.求解计算：应用ANSYS-CFX的Solver模块进行求解计算，时间步采用AutoTimescale，计算域长度尺度估算采用Conservative，时间步因子选择系统值默认值1；收敛标准设定为RMS值小于1e10-5，收敛目标设定为全局非平衡量守恒目标1％；迭代次数在3000到5000次。
步骤6.后处理：应用ANSYS-CFX的Post模块进行计算结果的后处理，通过后处理得到所设计的侵入式流水口在设定工况条件下的流场状态；获得水口侧开孔的钢液回流区流场，结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果为侵入式流水口的设计开发提供数据依据。
在使用本发明的数值模拟方法优化侵入式流水口的结构设计时，首先是对侵入式流水口的原型进行数值模拟分析，通过数值模拟技术研究发现浇铸时其水口出口上部大约30％的区域均存在回流。应用流体力学的动量守恒定律牛顿第二运动定律，推导动量守恒方程(Navier-Stokes方程)如下：
式中ux，uy，uz表示流体速度矢量，ui表示各方向速度分量i＝x、y、z，t为时间，ρ为流体密度。P为静压力，gi为各方向的重力加速度分量i＝x、y、z；由N-S方程可知，钢液流速矢量的方向主要由静压力及重力加速度支配，因此流股运动有向下的趋势，因此可以通过减小水口出口4在水口本体1侧壁上的高度与水口出口4在水口本体1侧壁上的宽度之比，让水口出口流股尽量充满出口，从而消除出口内部的回流区；围绕减小水口出口4内回流区的目标，设计了一系列水口出口的高宽比在小于1的浸入式流水口，并对每一种高宽比的水口出口4进行数值模拟分析。
经过数值模拟分析，对设计的水口出口的高宽比小于1的浸入式流水口和原来的流水口在相同工况下水口区域的流场进行分析，发现当水口出口4在水口本体1侧壁上的高度与水口出口4在水口本体1侧壁上的宽度之比小于1时，浸入式流水口的水口出口4上部的钢液回流区大大改善或已消除。
算例1，水口出口4在水口本体1侧壁上的高度与水口出口4在水口本体1侧壁上的宽度之比为0.8，水口出口4内中上部的回流区域减少了50％。
算例2，水口出口4在水口本体1侧壁上的高度与水口出口4在水口本体1侧壁上的宽度之比为0.6，水口出口4内中上部的回流区域减少了80％。
模拟研究发现，当水口出口4在水口本体1侧壁上的高度与水口出口4在水口本体1侧壁上的宽度之比小于1时，可以有效减小厚板坯浇铸时浸入式水口的水口出口内的钢液回流区，进而减少Al2O3等夹杂物在该区域的富集和沉积，改善或防止水口蓄流的发生。
数值模拟的本质，就是通过针对特定的对象建立数学模型，构造模型的描述方程，运用特定的算法进行计算，从而求解表征对象有关物理参量随空间和时间变化的特征函数，实现对物理参量的定量描述。本发明基于仿真软件平台ANSYS，应用数值模拟的方法，通过对设计的各种高宽比水口及其应用于工况条件下的流场特性进行仿真计算，确定了合适的流场边界参数及范围，开发出应用于侵入式流水口设计的仿真平台，改变了传统的流水口产品设计需通过大量的试验分析和数据比对来进行的方式，提升了设计开发效率。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种炼钢连铸侵入式流水口，包括水口本体(1)，其特征在于：所述水口本体(1)为圆筒形，所述水口本体(1)内部设有圆柱形内腔，所述圆柱形内腔的开口端为水口入口(2)，所述圆柱形内腔的封闭端为水口底部(3)，在所述水口底部(3)的侧壁上设有水口出口(4)，所述水口出口(4)在所述水口本体(1)侧壁上的高度与所述水口出口(4)在所述水口本体(1)侧壁上的宽度之比小于1。
2.如权利要求1所述的一种炼钢连铸侵入式流水口，其特征在于：所述水口出口(4)为两个长方形侧开孔，所述水口出口(4)位于水口本体壁面(11)下部区域，所述水口出口(4)贯通所述水口本体壁面(11)，所述水口出口(4)之间的夹角为180°。
3.如权利要求1或2所述的一种炼钢连铸侵入式流水口，其特征在于：所述水口入口(2)与中间包连接，所述水口出口(4)与结晶器连接，连铸浇铸时，钢流从中间包经所述水口入口(2)流入，通过所述水口本体(1)内部圆柱形内腔，从两个水口出口(4)流出进入结晶器。
4.一种如权利要求1至3任意一项所述的炼钢连铸侵入式流水口的数值模拟方法，其特征在于：首先用仿真平台数值模拟软件ANSYS建立基于原型的炼钢连铸浸入式流水口及连铸结晶器的模型并进行流场的数值模拟；然后，在原型数值模拟的基础上改变浸入式流水口的几何设计，对改进后的浸入式流水口再进行数值模拟；最后，分析水口出口的钢液回流区、结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果，为浸入式流水口的设计开发提供数据支撑。
5.如权利要求4所述的一种炼钢连铸侵入式流水口数值模拟方法，其特征在于：所述侵入式流水口仿真平台数值模拟方法包括如下步骤：
步骤1.几何建模：建立浸入式水口的三维实体模型及结晶器的三维实体模型；
步骤2.网格划分优化：对步骤1建立的几何模型进行结构化网格划分，并对划分的网格进行优化；
步骤3.设定初始边界条件：以水口入口钢液流量、结晶器下口拉速、结晶器上口自由液面和结晶器壁面无滑移作为初始边界条件；
步骤4.设置求解方法：动量守恒方程及湍流方程采用系统默认的一阶迎风格式；
步骤5.求解计算：根据设定的收敛法则进行迭代计算；
步骤6.后处理：读取水口出口的钢液回流区流场，结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果。
6.如权利要求5所述的一种炼钢连铸侵入式流水口数值模拟方法，其特征在于：所述步骤1的具体操作为：应用ANSYS-Workbench的DesignModeler模块建立浸入式水口及结晶器的三维实体模型，然后对模型进行简化处理，冻结并隐藏其实体部分，只保留钢液充填的区域；所述步骤2应用ANSYS-Workbench的ICEM模块对步骤1简化后的几何模型进行结构化网格划分。
7.如权利要求5所述的一种炼钢连铸侵入式流水口数值模拟方法，其特征在于：所述步骤3在设定初始边界条件时：应用ANSYS-CFX的预处理模块，建立数学模型。
8.如权利要求5所述的一种炼钢连铸侵入式流水口数值模拟方法，其特征在于：所述步骤4设置求解方法时，整个计算域的流体对流项格式采用High Resolution，即在计算过程中上游节点数据插值到下游节点时，一直进行基于梯度的最大限度修正，这样可以最大限度保证计算值与实际物理值的一致性。
9.如权利要求5所述的一种炼钢连铸侵入式流水口数值模拟方法，其特征在于：所述步骤5的具体操作为：应用ANSYS-CFX的Solver模块进行求解计算，时间步采用AutoTimescale，计算域长度尺度估算采用Conservative，时间步因子选择系统值默认值1；收敛标准设定为RMS值小于1e10-5，收敛目标设定为全局非平衡量守恒目标1％；迭代次数在3000到5000次。
10.如权利要求5所述的一种炼钢连铸侵入式流水口数值模拟方法，其特征在于：所述步骤6的具体操作为：应用ANSYS-CFX的Post模块进行计算结果的后处理，通过后处理得到所设计的侵入式流水口在设定工况条件下的流场状态；获得水口侧开孔的钢液回流区流场，结晶器液面波动、结晶器窄面钢液流速等数值模拟结果为侵入式流水口的设计开发提供数据依据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181130 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |